Das Elektron und das Proton sind nicht wie Billardkugeln. Das Elektron wird normalerweise als punktförmig angesehen, d. H. Es hat keine Größe, aber was dies wirklich bedeutet, ist, dass jede scheinbare Größe, die wir messen, eine Funktion unserer Sondenenergie ist und wenn wir die Sondenenergie auf unendlich bringen, fällt die gemessene Größe unbegrenzt ab. Das Proton hat eine Größe (ca. 1 fm), aber nur, weil es aus drei punktförmigen Quarks besteht - die Größe entspricht eigentlich nur der Größe der Quarkbahnen und das Proton ist nicht fest.

Klassisch zwei punktförmige Partikel , ein Elektron und ein Quark, können niemals kollidieren, denn wenn sie punktförmig sind, ist ihre Frontfläche Null und Sie können kein Ziel treffen, das eine Nullfläche hat.

Was tatsächlich passiert, ist, dass das Elektron und Quark sind Quantenobjekte, die keine Position oder Größe haben. Sie werden beide durch eine Wahrscheinlichkeitsverteilung beschrieben. Die Quantenmechanik sagt uns, dass eine Reaktion zwischen dem Elektron und dem Quark auftreten kann, und genau das passiert, wenn Sie Teilchen in einem Beschleuniger wie dem LHC kollidieren. In Ihrem Experiment haben das kollidierende Elektron und das Proton jedoch nicht genug Energie, um neue Teilchen zu erzeugen. Sie sind daher dazu verdammt, auf unbestimmte Zeit umeinander zu schwingen.

Wenn Sie das Elektron beschleunigen, können Sie ihm genügend Energie geben damit eine Reaktion auftritt. Dieser Prozess ist als tiefe unelastische Streuung bekannt, und historisch gesehen war dieses Experiment ein wichtiger Weg, wie wir die Struktur von Protonen kennengelernt haben.

Dies war ein großes Rätsel, bevor die Quantenmechanik entdeckt wurde. Elektronen werden nicht nur von Protonen angezogen, Elektronen strahlen beim Beschleunigen Energie ab. Ein klassisches Elektron im Orbit um ein Proton sollte in einem Bruchteil einer Sekunde in den Kern spiralförmig sein.

Die "Erklärung" ist, dass die klassische Physik nicht im kleinen Maßstab funktioniert. Die Quantenmechanik ist ein besseres Modell. Es ist kein Grund warum. Es ist nur eine Beschreibung, wie die Welt ist. Es ist nicht immer intuitiv oder plausibel.

In der Quantenmechanik hat ein Elektron keine bestimmte Position oder keinen bestimmten Impuls. Es hat eine Wellenfunktion, aus der die Wahrscheinlichkeit berechnet werden kann, es an einer bestimmten Position oder einem bestimmten Impuls zu finden. Ein an ein Proton gebundenes Elektron befindet sich wahrscheinlich sehr nahe am Proton.

Das Unsicherheitsprinzip besagt, dass die Unsicherheit in seinem Impuls zunimmt, wenn die Unsicherheit der Position eines Elektrons durch die Begrenzung in der Nähe eines Protons verringert wird. Ein Elektron, das einen hohen Impuls haben kann, bleibt wahrscheinlich nicht lange in der Nähe eines Protons.

Es gibt eine Größe, in der sich diese beiden gegensätzlichen Unsicherheiten ausgleichen. Dies bestimmt die Größe der Atome.

Dies war eine sehr lockere, von Hand winkende Beschreibung. Wenn Sie die wahre Geschichte wollen, gibt es viel im Web. Band III der Feynman-Vorlesungen ist eine gute Einführung.

Diese Art von Modell, ein klassisches Modell, führte zum Bohr-Modell und zur Quantenmechanik für das Atom, da es eine experimentelle Tatsache ist, dass das Wasserstoffatom existiert und sich nicht in ein Neutron verwandelt.

Für die großen Entfernungen, die Sie veranschaulichen, müsste die klassische Flugbahn ansonsten genau zentriert sein, auch klassisch gibt es eine seitliche Bewegung, die eine hyperbolische Umlaufbahn erzeugt. Im quantenmechanischen Rahmen, der bei der Diskussion der richtige ist Elementarteilchen, exakte Linien existieren nicht, Position und Energie sind durch das Heisenberg-Unsicherheitsprinzip begrenzt, und das Elektron und das Proton befinden sich im quantenmechanischen Bereich, sodass die Wahrscheinlichkeit einer seitlichen Bewegung sehr hoch ist.

Im Schwerpunktsystem werden Elektronen und Protonen so angezogen, wie Sie es in der Abbildung beschreiben. Die Elektronenprotonenstreuung, die Sie beschreiben, wurde untersucht. Wenn die Energie des Elektrons hoch genug ist, wird sie vom Feld des Protons gestreut. Wenn es niedriger als die Wasserstofflinien ist, wird es von den Feldern in ein Wasserstoffatom gefangen, das die entsprechende Energie als Photon emittiert.

Die Quantenmechanik erlaubt keine "Verschmelzungen" "in der Art, wie Sie sie sich vorstellen. Es gibt Elektroneneinfang in Kernen, ein Proton, das ein Elektron einfängt und zu einem Neutron wird, aber auch dies ist eine spezifische quantenmechanische Lösung innerhalb des Kerns.

Die Antwort auf Ihre überarbeitete Frage lautet, dass Ihr Objekt 2b existiert , korrekt als ein Elektron beschrieben wird, das über die Coulomb-Anziehung an einem Proton haftet, und ist was Sie (meistens) erhalten, wenn Sie ein einzelnes Elektron und ein einzelnes Proton nehmen und sie in ein ansonsten leeres Universum legen, zunächst in Ruhe im Schwerpunktrahmen. Der anfängliche Abstand beeinflusst nur, wie lange es dauert, bis das Elektron stecken bleibt und wie viel Energie dabei freigesetzt wird. Das Objekt ist allgemein als Wasserstoffatom bekannt.

Dieser Satz ist genau:

(3) Gemäß der Elektrostatik sollte das Elektron der Kraftlinie des führenden elektrischen Feldes folgen an das CM des Protons und, wenn es dort ankommt, bleiben Sie so nah wie möglich an einer unglaublich großen Coulomb-Kraft (Bild 2 b).

Genau das passiert (Die überschüssige Energie wird als Photonen freigesetzt.) Sie denken, dass dies nicht geschieht, und ich bin mir nicht sicher, warum. Ich vermute, Sie klammern sich an das ungenaue "Bohr-Modell" eines Wasserstoffatoms, bei dem das Elektron das Proton in einiger Entfernung "umkreist". Dieses Modell wurde verschrottet, weil es keinen plausiblen Grund gab, warum das Elektron in einem Abstand vom Proton bleiben sollte.

Nun gibt es ein wichtiges Detail: Das Elektron in einem Wasserstoffatom bewegt sich immer noch , obwohl es am Proton haftet und sich ein Stück vom Proton entfernt von Zeit zu Zeit (aber es ist höchstwahrscheinlich sehr nahe oder sogar innerhalb des Protons, es sei denn, Sie treffen das Atom mit einem oder zwei Photonen und "regen" das Elektron an). Dies ist der Punkt, an dem Sie nur ein wenig Quantentheorie einbringen müssen (tatsächlich ist es eines der ersten Phänomene, für deren Erklärung die Quantentheorie erfunden wurde). Die Quantentheorie besagt, dass nichts jemals ganz aufhören kann, sich zu bewegen . Dies ist eine Möglichkeit, das berühmte Unsicherheitsprinzip auszudrücken, und ich denke, es ist die klarste Möglichkeit, es in den Kontext dieses bestimmten Phänomens zu stellen.

Okay, warum kann nichts jemals ganz aufhören, sich zu bewegen? Weil alles eine Welle ist und Wellen nur existieren, wenn sie in Bewegung sind. Ich könnte auf diese Aussage näher eingehen, aber nur, indem ich ein paar Mathe auf dich wirf, und ich denke nicht, dass das helfen wird. (Der verlinkte Artikel über das Unsicherheitsprinzip geht in die Mathematik.)

Die Diagramme in der Frage sollten nicht wörtlich genommen werden. Wie Matt Strassler erklärt ist es falsch, sich das Proton als nur 3 Quarks vorzustellen. Stattdessen gibt es eine Vielzahl von Quarks und Antiquarks, ohne zwischen real und virtuell unterscheiden zu können.

Wir wissen, dass a) zwei Protonen zusammenkleben können

Das würde sei ein Diproton, das nicht stabil ist. Nein, zwei Protonen können ohne mindestens ein Neutron nicht zusammenhalten. Außerdem können die Protonen durch die verbleibende starke Kraft miteinander interagieren, während ein Proton und ein Elektron dies nicht können.

Gemäß Protonenstruktur aus der Messung von 2S-2P-Übergangsfrequenzen von myonischem Wasserstoff Science Vol. 339, S. 417-420:

... der Vergleich zwischen Theorie und Experiment wurde durch den Mangel an genauer Kenntnis der Protonenladung und der Magnetisierungsverteilungen behindert. Die Protonenstruktur ist wichtig, da ein Elektron in einem S-Zustand eine Wahrscheinlichkeit ungleich Null hat, sich innerhalb des Protons zu befinden. Die Anziehungskraft zwischen dem Proton und dem Elektron wird dadurch verringert, weil das elektrische Feld innerhalb der Ladungsverteilung kleiner ist als das entsprechende Feld, das durch eine Punktladung erzeugt wird.

Das Elektron kann sich innerhalb des Protons befinden . Dies ist die Fermi-Kontaktinteraktion. Die Fermi-Kontaktwechselwirkung kann durch NMR, EPR und Elektroneneinfang beobachtet werden. Das Elektron wird nicht im Proton eingeschlossen, da das Proton keine unendliche Vertiefung darstellt. Innerhalb des Protons befindet sich der wahrscheinlichste Ort (für ein gegebenes kleines Volumen), an dem sich das Elektron im Wasserstoffgrundzustand befindet, aber es ist nicht der einzige Ort, da das Proton keine unendlich tiefe potentielle Energiequelle ist.

Für ein quantitatives Modell der tatsächlichen Ladungsverteilung im Proton siehe Protonenformfaktorabhängigkeit der endlichen Größenkorrektur zur Lamb-Verschiebung in myonischem Wasserstoff

• 1) Gilt hier das Elektrostatik- und Coulomb-Gesetz?

Das Coulomb-Gesetz gilt nicht genau.Es muss durch Quantenelektrodynamik ersetzt werden.

Während dies eine Lüge ist, die wir Kindern erzählen, ist eine Möglichkeit zu verstehen, was vor sich geht, die Heisenberg-Unsicherheit.

Das Produkt aus der Gewissheit des Ortes und der Gewissheit der Geschwindigkeit ist unten begrenzt.

Dies bedeutet, dass mit zunehmendem Volumen, auf das sich etwas beschränkt, seine Geschwindigkeit zunehmen muss.

Sie können herausfinden, wie stark die Anziehungskraft zwischen einem Proton und einem Elektron ist. Wenn das Elektron mehr kinetische Energie als diese hat, ist die Anziehungskraft zwischen dem Proton und dem Elektron nicht stark genug, um es begrenzt zu halten.

Die Anziehungskraft zwischen dem Proton und dem Elektron bestimmt also, wie klein die Region ist Das Elektron kann in is eingeschlossen werden. Eine "Kollision" erfordert, dass sich das Elektron und das Proton beide an der "gleichen" kleinen Stelle befinden. Was passiert dann? Nun, wenn sie nicht genug Energie haben, um neue Partikel hervorzubringen, fliegen sie einfach auseinander. Wenn sie genug Energie haben, um neue Teilchen hervorzubringen, tun sie dies manchmal und sie hören auf, ein Proton und ein Elektron zu sein. Bang, sie treffen sich.

Aber ohne genügend Energie, um neue Teilchen zu bilden, bildet das Elektron stattdessen eine "Wolke" von Zuständen um das Proton, wobei der Radius der Wolke durch die Bindungsenergie zwischen bestimmt wird Das Proton und das Elektron.

Interessant ist, was passiert, wenn Sie mehr Elektronen und Protonen hinzufügen (vorausgesetzt, Sie schaffen es, die Protonen zusammenzuhalten): Das Pauli-Ausschlussprinzip setzt ein und die neuen Elektronen müssen sich "stapeln" up "über den alten in den" näheren "Zuständen.

Wie kleben nun die Protonen zusammen? Mit Hilfe von Neutronen liefern die Kernkräfte eine viel stärkere Bindungsenergie. Dies führt dazu, dass sie auf einen kleineren Radius (den Kern) als die Elektronenorbitale beschränkt sind

Es gibt zwei wichtige Aspekte eines Elektrons, die berücksichtigt werden müssen: 1) Bei "niedrigen" Geschwindigkeiten wirkt es wie ein Teilchen (es gilt die klassische Physik). 2) Auf "atomarer Ebene" wirkt es wie eine Welle (QM gilt).

Antworten auf Ihre Fragen:

0) Da es sich um eine niedrige Geschwindigkeit handelt, wirkt das Elektron wie ein Punktteilchen. Wenn es auf den Bildschirm kommt, hat es eine bestimmte Größe und Position .

1) Ja, Elektrostatik und Coulombsches Gesetz gelten, aber da das Elektron in Bewegung ist , gelten auch andere Gesetze (Ampere, Faraday usw.).

2) Eine milliardenfache Wiederholung des Experiments wäre gleichbedeutend mit der gleichzeitigen Verwendung vieler Elektronen (eines Stroms), was genau das ist, was in einer "Elektronenkanone" verwendet wird. Da eine große Gruppe von Elektronen verwendet wird, werden die Ergebnisse präziser / vorhersagbarer, was die Verwendung der "klassischen" Physik ermöglicht.

3) Wie in 1) erwähnt, reichen Elektrostatik und Coulombsches Gesetz nicht aus, um die Bewegung des Elektrons zu erklären. Aufgrund der Selbstinduktion wird beim Bewegen des Elektrons in Richtung des Protons eine Kraft senkrecht sowohl zum Geschwindigkeitsvektor als auch zur Verbindungslinie zwischen Elektron und Proton (tangential zum Proton) erzeugt / induziert . Wenn der Abstand verringert wird, nimmt die induzierte Tangentialkraft zu, was eine immer größere Tangentialgeschwindigkeit verursacht. Gleichzeitig nimmt auch die normale Beschleunigung aufgrund des Coulombschen Gesetzes zu. Irgendwann sind sowohl die Zentrifugalbeschleunigung (aufgrund der Tangentialgeschwindigkeit) als auch die Normalbeschleunigung gleich und entgegengesetzt, so dass das Elektron das Proton (im Bohr-Radius) "umkreist" und somit ein Wasserstoffatom erzeugt wird .

Für ein Elektron mit höheren Energien wurden bereits entsprechende Antworten gegeben.

Sie haben viele Erklärungen und ich möchte noch eine hinzufügen.

Interaktion von Feldern durch eindimensionale Strukturen im Raum

Vor Jahren habe ich über eindimensionale Raumstrukturen gearbeitet und die Ergebnisse irgendwie auf elektrische Felder, Magnetfelder und EM-Strahlung angewendet. Es stellte sich heraus, dass nur zwei Arten von Quanten erforderlich sind, um sie zu beschreiben alle. Die Beschreibung von Feldern durch Feldlinien erhält also eine materialistische Basis. Mit diesen beiden Quanten und Clustern ist es möglich, sowohl das elektrische als auch das magnetische Feld und auch Photonen zu beschreiben.

Quantisierter Charakter der Interaktion

Während der Annäherung eines Elektrons und eines Protons werden die Feldlinien kürzer, aber aufgrund der Annahme in meiner Eleboration müssen die Cluster einer kontinuierlichen Funktion folgen und die Anzahl der Quanten in ihnen sollte mit einer konstanten Anzahl zunehmen. So werden einige der Quanten als Photonen emittiert und einige an den Ands der "Kette" gehen zum Proton und zum Elektron über. In einiger Entfernung zwischen ihnen ist es nicht mehr möglich, die Feldlinien zu verkürzen, die Emission von Photonen stoppt und der Übergang von Quanten ins Innere des Protons und das Elektron stoppt ebenfalls.

Mein Papier ist sehr trocken geschrieben und die Übersetzung in die englische Sprache macht es nicht besser, aber es hat wirklich neue Ideen und bis jetzt keine Inkonsistenz.